CN103792212A - 一种光纤表面等离子体共振传感器、检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光纤SPR传感器、检测系统和检测方法。所述光纤SPR传感器包括一具有平面壁和曲面侧壁的全固态折射率引导型光子晶体光纤，所述全固态折射率引导型光子晶体光纤的横截面呈D形，所述平面壁上具有一传感层。本发明在D形光子晶体光纤表面制备传感平面，通过控制SPR传感平面与光纤纤芯的距离调节表面等离子体共振的激发强度，同时利用电磁波的水平和垂直分量干涉，实现相位敏感测量。该传感器制备工艺简单可靠，灵敏度非常高，抗干扰能力强，分辨率远好于传统波长解调方式的光纤表面等离子体共振检测装置,因此具有很强的应用价值。

Description

一种光纤表面等离子体共振传感器、检测系统及方法

技术领域

本发明涉及光电检测技术领域，尤其涉及一种光纤表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）传感器、检测系统及方法。

背景技术

SPR是一种新兴传感技术，具有高灵敏度、高通量、易于实现特异性检测和实时性，而且不需要标记等优点，已广泛应用到生物、医药、食品质量安全、化学和环境监测等行业，特别是在线实时检测DNA与蛋白质之间、蛋白质分子之间以及药物-蛋白质、核酸-核酸、抗原-抗体、受体-配体等生物分子之间的相互作用等。目前基于光纤的SPR解调主要采用波长解调方式，由于波长的移动是一种表观的、总体的SPR效应，导致其检测性能不足，主要表现为灵敏度有限，同时没有相应的降噪处理，容易受到外界环境的干扰，如光源的光谱随时间可能会发生变化，外界的温度也会影响到共振峰的位置，信噪比差、可靠性较低，难以满足用户需求。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种光纤SPR传感器、检测系统及方法，能够解决现有光纤SPR检测性能和可靠性不足的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种光纤SPR检测系统，其沿光路方向依次包括：光源、起偏器、相位延迟器、准直器、样品池、光纤SPR传感器、检偏器、探测器、锁相放大器以及PC系统；

所述光纤SPR传感器浸泡于待检测溶液的样品池中，所述样品池设有进液口和出液口，检测时待检测溶液持续从进液口流进、从出液口流出；所述光纤SPR传感器包括一具有平面壁和曲面侧壁的全固态折射率引导型光子晶体光纤，所述全固态折射率引导型光子晶体光纤的横截面呈D形，所述平面壁上具有一传感层。

一种光纤SPR检测方法，所述光纤SPR检测方法包括：

产生传感光并对传感光进行起偏、相位延迟，使得传感光的相位成周期调制的相位延迟；

相位延迟后的传感光进入浸泡于充满待检测溶液的样品池中的光纤SPR传感器，并在满足相位匹配的条件下，传感光在所述光纤SPR传感器的传感层表面激发表面等离子体波共振，其共振峰位置随外界环境的折射率变化而移动，同时传感光的相位发生变化；

携带外部折射率信息的传感光经检偏后，探测其光的强度变化，结合光强变化与调制函数信息，获取传感分量由于SPR共振所产生的相位变化，并通过循环检测获得相位随时间的变化信息，以求得待检测溶液的浓度或反应的动力学常数。

一种光纤SPR传感器，包括一具有平面壁和曲面侧壁的全固态折射率引导型光子晶体光纤，所述全固态折射率引导型光子晶体光纤的横截面呈D形，所述平面壁上具有一传感层，所述传感层为纳米级厚度的金膜。

本发明提供了一种光纤SPR传感器、检测系统及方法，所述光纤SPR传感器在基础光纤表面制备平面壁，在平面壁上进行镀膜形成传感层，通过控制SPR传感平面与光纤纤芯的距离调节表面等离子体共振的激发强度，同时利用电磁波的水平和垂直分量干涉，实现相位敏感测量，该光纤SPR传感器实现简单可靠，性能较传统波长解调方式的光纤表面等离子体共振检测装置可高出近两个数量级，具有非常高的灵敏度；进一步地，本发明中光纤SPR检测系统中包括两种降噪处理，首先通过调制解调过程，可以抑制光源噪声的影响；其次，由于是双臂设计（水平和垂直方向传播），其他环境因素（如温度）同时作用两臂上，其对两臂上传播光的相位的作用是相同的，而只有SPR是垂直光分量独有的现象，因此这些环境噪音的影响相互抵消，如此，光纤SPR传感器的基线噪声可以显著地降低，进一步降低传感器的检测限（检测限=最小可分辨信号水平/灵敏度），从而获得更好的检测能力。

附图说明

图1为本发明光纤SPR检测系统的结构示意图。

图2为本发明光纤SPR传感器的截面结构示意图；

图3为本发明光纤SPR传感器中水平分量和垂直分量的相位差示意图；

图4为图3中波长在600或者612纳米位置对应的水平分量和垂直分量的相位差放大示意图；

图5为本发明光纤SPR传感器的相位随外部折射率的变化曲线示意图；

图6为本发明光纤SPR传感器对图5中光的灵敏度曲线示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下举实施例并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1示出了本发明光纤SPR检测系统的结构，如图1所示，所述光纤SPR检测系统沿光路方向依次包括：光源、起偏器、相位延迟器、准直器、样品池、如上所述的光纤SPR传感器、检偏器、探测器、锁相放大器以及PC系统。

所述光纤SPR传感器浸泡于充满待检测溶液的样品池中，所述样品池设有进液口和出液口，检测时待检测溶液持续从进液口流进、从出液口流出；所述光纤SPR传感器包括一具有平面壁和曲面侧壁的全固态折射率引导型光子晶体光纤，所述全固态折射率引导型光子晶体光纤的横截面呈D形，所述平面壁上具有一传感层。

优选地，所述平面壁的位置区间为从最内层的包层玻璃棒的外缘到向纤芯的方向半个晶格周期之间，如图2所示，所述全固态折射率引导型光子晶体光纤整体呈含有纤芯的横截面D为一大于半圆的形状。

优选地，所述传感层为纳米级厚度的金膜。所述金膜的厚度为10-80纳米。

优选地，所述全固态折射率引导型光子晶体光纤的晶格周期为1-4微米。

优选地，所述光源，具体为可调谐相干光源，用于输出单色相干光作为传感光；

所述起偏器，具体可以为45度起偏器，使用于调制所述传感光，使之水平和垂直分量等幅值；

相位延迟器，用于控制传感光的相位，使得光的水平分量或垂直分量产生周期调制的相位延迟；

具体地，当相位延迟期的调制函数为简谐函数时，其出射光强度的表达式为：

$I_{\mathrm{out}}=E_{\mathrm{out}}{E}_{\mathrm{out}}^{*}\∝[I_{\mathrm{DC}}+\frac{1}{2}|r_s\left|\right|r_p\left|\cos (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})\right]$

其中，E_out为电场强度函数，E^* _out为电场强度函数E_out的共轭函数，I_DC为探测器上采集的直流分量，|r_s|为S偏振光的整体反射系数，|r_p|为P偏振光的整体反射系数，ω为相位延迟器的调制圆频率，θ即在该条件下光经过传感区域后由于表面等离子体波共振效应在水平和垂直分量上形成的相位差。已知调制圆频率ω，可求得该条件下传感器中P偏振光与S偏振光的相位差θ。由于S偏振不受SPR效应影响，因此可以用相位差θ的变化来表示P偏振光经过传感器的相位随时间的变化，根据这一相位的变化即可反推得到外界环境折射率的细微变化，进一步地，获得随时间变化的生化反应过程信息。

所述准直器，用于经相位延迟器后在自由空间传输的光进行准直处理，以使之耦合进入所述光纤SPR传感器的入射光纤。

所述光纤SPR传感器两端分别连接有入射光纤和出射光纤，用于接收和输出传感光，并在满足相位匹配的条件下，传感光在传感层表面激发表面等离子体波产生共振，其共振位置随外界环境的折射率变化而移动，同时传感光的相位发生变化，这里，随着待测样品反应的进行，传感层表面的质量负荷随时间发生变化，引起传感层表面的折射率变化。

检偏器，具体为45度检偏器，用于使所述光纤SPR传感器在非SPR效应时的出射光纤所输出光的水平和垂直偏振光分量的幅值相等。

探测器，用于探测所述检偏器的输出光的强度变化；进一步具体可由光电二极管实现；

锁相放大器以相位延迟器的调制函数信息作为参考信号，基于被测信号与该参考信号具有相同频率和相位关系的原理，滤波并提取由于传感器表面共振效应所产生的相位变化；

所述PC系统用于采集锁相放大器的信号，获取传感分量由于SPR共振所产生的相位变化，并通过控制相位延迟器的周期实现循环检测，获得相位差随时间的变化信息，以求得待检测溶液的浓度或反应的动力学常数。

所述光源为可调谐相干光源，包括可调谐激光；或者，

所述光源为白炽光源，相应地，所述系统还包括窄带滤波器，用于对所述白炽光源进行中心波长位置选择。

图2示出了本发明光纤SPR传感器的截面结构，如图2所示，所述光纤SPR传感器具有平面壁和曲面侧壁的全固态折射率引导型光子晶体光纤，所述全固态折射率引导型光子晶体光纤的横截面呈D形，所述平面壁上具有一传感层。

所述光纤SPR传感器以全固态折射率引导型光子晶体光纤为基础光纤折射率棒如图2所示，图2中∧代表晶格周期，D为折射率棒直径，由于所述折射率棒为玻璃材料，具有相同的机械和热膨胀性能，加工简单，对该基础光纤进行机械侧边抛磨或激光微加工形成上述平面壁，在该平面壁进行传感层镀膜，形成光纤SPR传感器，又该传感器的横截面形状为D形，因此又叫D形光纤SPR传感器。

其中所述基础光纤的晶格周期（pitch）为1-4微米，如图2所示，平面壁的位置区间为从最内层的包层玻璃棒的外缘到向纤芯的方向半个晶格周期之间。所述传感层具体可以为纳米级厚度的金膜，所述传感器的厚度即图1中的t的区间为10-80纳米，进一步地，所述传感层还可以由如银等其他贵金属材料实现，可根据实际需要和实现成本进行不同选择。

该光纤SPR传感器通过平面壁的位置控制芯模的电场泄露，从而实现对表面等离子体共振强度的调制，同时由于采用了光子晶体光纤侧边抛磨方式制备传感层，由于低折射率的折射率棒的存在，芯模的泄露通道被限制在顶层中心位置两折射率棒之间的狭小区间，因此很容易通过平面壁高度位置来调节。相比之下，传统的单模光纤侧边抛磨后，其纤芯包层分界面与平面壁近乎平行，电磁场泄露量难以把握。

进一步地，所述光纤SPR传感器的基础光纤还可以是带隙型光子晶体光纤。

图3示出了上述光纤SPR传感器中水平分量和垂直分量的相位差曲线，其中，曲线图中横轴代表波长，纵轴代表相位差；不同线形表示不同波长的单色相干光；图4为图3中波长在600-612纳米之间对应的水平分量和垂直分量的相位差放大示意图；图5为入射光为600纳米和612纳米时，上述光纤SPR传感器中两传播臂的相位差随外部折射率的变化曲线示意图；图5为对应图4的上述光纤SPR传感器的灵敏度示意图。

由上述图3-图6可以得到，在利用生化实验进行光纤SPR检测时，可将一种反应物固定在上述光纤SPR传感器的传感层表面，随着反应的进行，传感层表面的质量负荷随时间发生变化，引起传感层表面的折射率变化，光纤SPR传感器的两传播臂的相位差也随之变化，循环检测获得相位差随时间的变化，即可获得该生化反应的耦合或解离过程的信息，并进一步求得其反应亲和系数，或在反应亲和性质已知的情况下，利用这一过程测量微量生化物质的浓度。当折射率变化较大时，共振点的移动较大，可通过调节入射光的波长，将待测点置于上述光纤SPR传感器的高灵敏区。

本发明还提供一种光纤SPR检测方法，该检测方法利用上述光纤SPR检测系统进行实现，所述方法包括下述步骤：

步骤1，产生传感光并对传感光进行起偏、相位延迟，使得传感光的相位成周期调制的相位延迟；

步骤2，相位延迟后的传感光进入浸泡于充满待检测溶液的样品池中的光纤SPR传感器，并在满足相位匹配的条件下，传感光在所述光纤SPR传感器的传感层表面激发表面等离子体波产生共振，其共振峰位置随外界环境的折射率变化而移动，同时传感光的相位发生变化；

步骤3，携带外部折射率信息的传感光经检偏后，探测其光的强度变化，结合光强变化与调制函数信息，获取传感分量由于SPR共振所产生的相位变化，并通过循环检测获得相位随时间的变化信息，以求得待检测溶液的浓度或反应的动力学常数。

本方法中，经过45度起偏器后，进入函数调制的相位延迟器，在此水平与垂直方向上的波矢分量经调制后具有一个随时间变化的相位差θ，此后光束经光纤准直器准直后，进入D形光纤SPR传感器，平面壁与水平波矢平行，光束的垂直分量与平面壁上的传感层作用，激发传感层内的自由电子发生周期振荡，产生强烈的共振，部分光被吸收，同时相位发生剧烈变化，包含经D形光纤SPR传感器调制后的出射光经检偏器后被探测器接收，再由锁相放大器结合相位调制频率解调获得p偏振光在检测区域内的相位变化。这一相位变化来源于金属与外界环境界面上的表面等离子体共振效应，因而与外界介质的介电常数极其相关，也即与传感器表面的质量负载状况直接相关，利用这一性质可检测生化反应的亲和性，用于蛋白质研究、抗体筛选等。

本发明提供了一种光纤SPR传感器、检测系统及方法，所述光纤SPR传感器在基础光纤表面制备平面壁，在平面壁上进行传感层镀膜形成传感层，通过控制SPR传感平面与光纤纤芯的距离调节表面等离子体共振的激发强度，同时利用电磁波的水平和垂直分量干涉，实现相位敏感测量，该光纤SPR传感器实现简单可靠，性能较传统波长解调方式的光纤表面等离子体共振检测装置可高出近两个数量级，具有极高的灵敏度；进一步地，本发明中光纤SPR检测系统中包括两种降噪处理，首先通过调制解调过程，可以抑制光源噪声的影响；其次，由于是双臂设计（水平和垂直方向传播），其他环境因素（如温度）同时作用两臂上，其对两臂上传播光的相位的作用是相同的，而只有SPR是垂直光分量独有的现象，因此这些环境噪音的影响相互抵消，如此，光纤SPR传感器的基线噪声可以显著地降低，进一步降低传感器的检测限（检测限=最小可分辨信号水平/灵敏度），从而获得更好的检测能力。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种光纤SPR检测系统，其特征在于，所述光纤SPR检测系统沿光路方向依次包括：光源、起偏器、相位延迟器、准直器、样品池、光纤SPR传感器、检偏器、探测器、锁相放大器以及PC系统；

所述光纤SPR传感器浸泡于充满待检测溶液的样品池中，所述样品池设有进液口和出液口，检测时待检测溶液持续从进液口流进、从出液口流出；所述光纤SPR传感器包括一具有平面壁和曲面侧壁的全固态折射率引导型光子晶体光纤，所述全固态折射率引导型光子晶体光纤的横截面呈D形，所述平面壁上具有一传感层，所述传感层为纳米级厚度的金膜。

2.如权利要求1所述的光纤SPR检测系统，其特征在于，所述平面壁的位置区间为从最内层的包层玻璃棒的外缘到向纤芯的方向半个晶格周期之间。

3.如权利要求1或2所述的光纤SPR检测系统，其特征在于，所述金膜的厚度为10-80纳米。

4.如权利要求1所述的光纤SPR检测系统，其特征在于，所述全固态折射率引导型光子晶体光纤的晶格周期为1-4微米。

5.如权利要求1所述的光纤SPR检测系统，其特征在于：

所述光源为可调谐相干光源，用于输出单色相干光作为传感光；

所述起偏器为45度起偏器，用于调制所述传感光，使之水平和垂直分量等幅值；

所述相位延迟器用于控制传感光的相位，使得光的水平分量或垂直分量产生周期调制的相位延迟；

所述准直器用于将经相位延迟器后在自由空间传输的光进行准直处理，以使之耦合进入光纤SPR传感器的入射光纤；

所述光纤SPR传感器两端分别连接有入射光纤和出射光纤，用于接收和输出传感光，在满足相位匹配的条件下，传感光在传感层表面激发表面等离子体波产生共振，其共振位置随外界环境的折射率变化而移动，同时传感光的相位发生变化；

所述检偏器为45度检偏器，用于使所述光纤SPR传感器在非SPR效应时的出射光纤所输出光的水平和垂直偏振光分量的幅值相等；

所述探测器用于探测所述检偏器的输出光的强度变化；

所述锁相放大器以相位延迟器的调制函数信息作为参考信号，滤波并提取由于传感器表面共振效应所产生的相位变化；

所述PC系统用于采集锁相放大器的信号，获取传感分量由于SPR共振所产生的相位变化，并通过控制相位延迟器的周期实现循环检测，获得相位随时间的变化信息，以求得待检测溶液的浓度或反应的动力学常数。

6.如权利要求5所述的光纤SPR检测系统，其特征在于，

所述光源为白炽光源，所述系统还包括窄带滤波器，用于对所述白炽光源进行中心波长位置选择。

7.一种光纤SPR检测方法，其特征在于，所述光纤SPR检测方法包括：

产生传感光并对传感光进行起偏、相位延迟，使得传感光的相位成周期调制的相位延迟；

相位延迟后的传感光进入浸泡于充满待检测溶液的样品池中的光纤SPR传感器，并在满足相位匹配的条件下，传感光在所述光纤SPR传感器的传感层表面激发表面等离子体波共振，其共振峰位置随外界环境的折射率变化而移动，同时传感光的相位发生变化；

携带外部折射率信息的传感光经检偏后，探测其光的强度变化，结合光强变化与调制函数信息，获取传感分量由于SPR共振所产生的相位变化，并通过循环检测获得相位随时间的变化信息，以求得待检测溶液的浓度或反应的动力学常数。

8.一种光纤SPR传感器，其特征在于，所述光纤SPR传感器包括一具有平面壁和曲面侧壁的全固态折射率引导型光子晶体光纤，所述全固态折射率引导型光子晶体光纤的横截面呈D形，所述平面壁上具有一传感层，所述传感层为纳米级厚度的金膜。

9.如权利要求8所述的光纤SPR传感器，其特征在于，所述平面壁的位置区间为从最内层的包层玻璃棒的外缘到向纤芯的方向半个晶格周期之间。

10.如权利要求8所述的光纤SPR传感器，其特征在于，所述金膜的厚度为10-80纳米。

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